CN116765613B - 精密表面无损激光清洗振镜系统、清洗设备及其方法 - Google Patents

Abstract

一种精密表面无损激光清洗振镜系统、清洗设备及其方法，透射准直式光学镜组的后端设置有X轴反射式光学镜片，X轴反射式光学镜片的一侧设置有Y轴反射式光学镜片，Y轴反射式光学镜片的下侧设置有透射聚焦式光学镜，X轴反射式光学镜片安装在X方向维度小角度偏转式数字马达的输出轴端，Y轴反射式光学镜片安装在Y方向维度小角度偏转式数字马达的输出轴端。通过扫描出不同弦波波形，避免了现有激光清洗采用激光束单一线形扫描填充的易因移动不均匀而产生斑马状清洗条纹，或因清洗过程中聚焦光斑的扫描填充轨迹大量重合后而造成清洗表面在微观形貌上出现重熔烧蚀等问题。

Description

精密表面无损激光清洗振镜系统、清洗设备及其方法

技术领域

本发明涉及激光清洗技术领域，尤其涉及一种精密表面无损激光清洗振镜系统、清洗设备及其方法。

背景技术

水轮发电机组的转子、大轴、镜板、推力支架等大型零部件在机组中往往通过精密法兰面或其它精密表面与其它零部件配合连接紧固，配合面的表面质量决定了连接的可靠性和机组的服役性能，例如配合面附着有污染物则会在长期服役过程中对配合面造成刮伤、划痕等损伤，零部件配合面的精密表面损伤严重的话还可能造成水电机组发电量下降甚至机组损坏停机，造成经济损失；因此零部件精密配合面的表面质量是水电机组检修的重要环节；同时水轮发电机组的镜板面、转子法兰（含销孔）、大轴法兰、推力支架底面等涵盖大平面、曲面、孔等不同结构特征，清洗区域尺寸形状差异较大，而且对配合面表面光洁度等要求极高，在清洗时，需要将配合面表面附着的油泥、锈迹等全部去除且不能对表面有任何损伤，通常在传统清洗时，由人工近距离使用化学清洗剂擦拭或干冰及高压水射流喷洗，清洗工作效率低，废液污染环境，且危险系数极高。

现有的激光清洗采用高能激光束通过振镜系统扫描填充的方式使得工件表面在瞬间吸收聚焦的激光能量，形成急剧膨胀的等离子体（高度电离的不稳定气体），使表面的油污、锈斑、粉尘渣、涂层、氧化层或膜层等发生气化或剥离，从而高效地清除表面附着物，是一种高效、绿色清洗技术，相对于化学清洗，其不需任何化学药剂和清洗液；相对于机械清洗，其无研磨、无应力、无耗材，清洗过程非接触、低噪音且对基体损伤较小，非常适合于硬质污染物和软质易变性材料表面进行清洗；但当配合面表面污染较重，特别是当污垢成分复杂时，需要反复进行激光清洗时，对基体损伤极小的问题也会在反复多次清洗后被放大，容易造成配合面精密表面烧蚀、划痕等缺陷，因此，激光清洗技术相较传统的化学清洗剂擦拭或干冰及高压水射流喷洗的方式有着非接触、无耗材、高效环保等优势，但仍亟需解决现有激光清洗技术对配合面的精密表面造成损伤的问题，尤其是反复清洗时造成的表面划痕、烧蚀等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决上述背景技术中存在的问题，提供一种精密表面无损激光清洗振镜系统，通过激光清洗加工头的振镜系统使得聚焦光点在工作焦点平面沿X-Y方向扫描形成设定尺寸边界范围的正弦波线形，进而通过傅里叶级数数学表达式基于时间周期的一定规律变换将所扫描形成的正弦波线形在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内叠加成任意不重复的弦波波形。

本发明要解决的第二个技术问题是：提供一种采用精密表面无损激光清洗振镜系统的清洗设备。

本发明要解决的第三个技术问题是：提供一种采用精密表面无损激光清洗设备的清洗方法。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：

一种精密表面无损激光清洗振镜系统，包括透射准直式光学镜组、X轴反射式光学镜片、Y轴反射式光学镜片以及透射聚焦式光学镜，所述透射准直式光学镜组的后端设置有X轴反射式光学镜片，X轴反射式光学镜片的一侧设置有Y轴反射式光学镜片，Y轴反射式光学镜片的下侧设置有透射聚焦式光学镜，X轴反射式光学镜片安装在X方向维度小角度偏转式数字马达的输出轴端，Y轴反射式光学镜片安装在Y方向维度小角度偏转式数字马达的输出轴端。

还包括Z方向维度音圈电机，透射准直式光学镜组安装在Z方向维度音圈电机的伸缩端。

所述透射准直式光学镜组安装在往复浮动机构的滑动件上，Z方向维度音圈电机位于往复浮动机构的下侧，并与滑动件连接。

一种精密表面无损激光清洗的清洗设备，包括脉冲激光器和激光清洗加工头，脉冲激光器与激光清洗加工头采用光纤连接，所述激光清洗加工头安装有所述的精密表面无损激光清洗振镜系统。

一种精密表面无损激光清洗的清洗方法，用于水电机组零部件精密表面附着污染物的清洗，采用了所述的精密表面无损激光清洗的清洗设备，它包括以下步骤：

S1：打开电源给脉冲激光器、激光清洗加工头供电；打开脉冲激光器的指示红光，指示红光经过传输光纤和激光清洗加工头辐照输出形成指示光点，激光清洗加工头内振镜系统控制X方向维度小角度偏转式数字马达、Y方向维度小角度偏转式数字马达以及Z方向维度音圈电机在通电启动后开始自动校准，其中，振镜系统控制X方向维度小角度偏转式数字马达和Y方向维度小角度偏转式数字马达，使X轴反射式光学镜片和Y轴反射式光学镜片在空间法线方向上呈90°夹角排布，Z方向维度音圈电机控制透射准直式光学镜组置于往复浮动机构的中间位置；

S2：在脉冲激光器上设置激光清洗所需的激光功率、脉冲宽度、频率参数，通过激光清洗加工头的振镜系统控制X方向维度小角度偏转式数字马达和Y方向维度小角度偏转式数字马达分别带动X轴反射式光学镜片和Y轴反射式光学镜片在时间周期t内根据傅里叶级数的数学表达式：，扫描出2n-1个弦波线形；式中，n为整数、θ表示角度；

其中，高能激光束通过激光清洗加工头辐照聚焦成聚焦光点后，被振镜系统控制着扫描出每一个弦波线形的时间为，每一个弦波线形的扫描轨迹长短不同，聚焦光点在扫描每一个弦波线形的扫描速度不同，在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内扫描出各个弦波线形的过程中聚焦光点做变速运动；

S3：根据S2中设置的参数，让指示红光的光点在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内扫描出2n-1个轨迹不重叠的弦波波形轨迹进行模拟，同步根据所需清洗的区域尺寸大小，调整振镜系统控制X方向维度小角度偏转式数字马达和Y方向维度小角度偏转式数字马达，使X轴反射式光学镜片和Y轴反射式光学镜片在X-Y方向维度偏转角度，直至指示红光扫描的各弦波波形轨迹边界范围与待清洗区域的尺寸最大程度的重合；

S4：当所需清洗的区域为非平面，待清洗区域不能与空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界重合时，待清洗区域会因工作焦距的变化而导致的聚焦光点能量密度出现变化，此时同步控制Z方向维度音圈电机在往复浮动机构上沿轴向往复浮动使得空间上所设定工作焦点的平面X-Y方向尺寸边界范围内扫描的任意线形都能在Z方向得到焦距补偿，重复S3，直到实现三维空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围能自适应的与待清洗的非平面区域最大程度的重合；

S5：根据以上步骤所设置和调试的参数，打开脉冲激光器发出高能激光束开始进行激光清洗作业，其中激光清洗时在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内的单位时间周期扫描形成的弦波波形数量为2n-1个，n的值为整数，总清洗时间周期T内，其中，T=a*t，a为总清洗次数，t为单次清洗的单位时间周期；

在奇数清洗次数时，单位时间周期t内扫描出2n-1个弦波波形，扫描成弦波波形对应的根据傅里叶级数的数学表达式：

；

式中n为偶数，θ表示角度；

在偶数清洗次数时，单位时间周期t内扫描出2n-1个弦波波形，扫描成弦波波形对应的根据傅里叶级数的数学表达式：

；

式中n为奇数，θ表示角度；

S6：激光清洗完成后人工远程观察所清洗区域的清洗效果，如果未能达到理想清洗效果，则重复S5步骤，直至达到清洗效果。

本发明有如下有益效果：

1、本发明相比于现有的激光清洗方案来说，通过扫描出不同弦波波形，避免了现有激光清洗采用激光束单一线形扫描填充的易因移动不均匀而产生斑马状清洗条纹，或因清洗过程中聚焦光斑的扫描填充轨迹大量重合后而造成清洗表面在微观形貌上出现重熔烧蚀等问题。

2、本发明相比于现有的激光清洗方案来说，通过Z轴方向的音圈电机浮动补偿焦距，避免了现有激光清洗因工作焦点偏离（正离焦或负离焦），造成清洗表面清洗质量均匀性差，会存在部分区域清洗不干净等问题。

3、本发明相比于现有的激光清洗方案来说，通过多次清洗时区分奇数次与偶数次基于对应傅里叶级数的弦波波形的不同，避免了多次进行激光清洗时，对配合面的精密表面造成烧蚀、划痕等缺陷。

4、本发明可以实现水电机组在运行中不停机、不断电情况下，对工作部件表面附着污染物现地进行非接触的、高质量无损激光清洗，避免污染物长时间附着表面对机组工作部件的导电性能造成影响，也可以避免机组停机造成的经济损失，与现有停机检修时人工用砂带、海绵洁净布工具擦拭或用干冰、化学清洗剂等去除表面附着污染物的方式相比，能有效避免机组停机造成的经济损失，而且通过激光的非接触式的无损清洗方法可以有效保证表面附着物清洗效果的一致性和高质量，避免出现清洗效果不稳定、对部件表面造成损伤等问题，经济效益明显。

附图说明

图1是本发明振镜系统整体布局结构示意图。

图2是本发明基于时空傅里叶级数变换的无损激光清洗扫描轨迹示意图。

图中：

1、激光束；2、透射准直式光学镜组；3、X方向维度小角度偏转式数字马达；4、X轴反射式光学镜片；5、Y方向维度小角度偏转式数字马达；6、Y轴反射式光学镜片；7、Z方向维度音圈电机；8、透射聚焦式光学镜；9、聚焦光点；701、往复浮动机构；滑动件702；

901、焦平面上沿扫描弦波波形；

902、焦平面上沿扫描弦波波形；

903、焦平面上沿扫描弦波波形；

904、焦平面上沿扫描弦波波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步的说明。

实施例一：

参见图1-2，一种精密表面无损激光清洗振镜系统，包括透射准直式光学镜组2、X轴反射式光学镜片4、Y轴反射式光学镜片6以及F-Theta透射聚焦式光学镜8，所述透射准直式光学镜组2的后端设置有X轴反射式光学镜片4，X轴反射式光学镜片4的一侧设置有Y轴反射式光学镜片6，Y轴反射式光学镜片6的下侧设置有F-Theta透射聚焦式光学镜8，X轴反射式光学镜片4安装在X方向维度小角度偏转式数字马达3的输出轴端，Y轴反射式光学镜片6安装在Y方向维度小角度偏转式数字马达5的输出轴端。

清洗作业时由脉冲激光器通过传输光纤将激光束1传输到激光清洗加工头内，激光束1在激光清洗加工头的振镜系统中依次经由透射准直式光学镜组2进行光束准直、X轴反射式光学镜片4及Y轴反射式光学镜片6进行X-Y方向的反射，最后经由F-Theta透射聚焦式光学镜8将激光束1辐照输出聚焦在工作焦点平面位置形成具有高能量密度的聚焦光点9。通过设置X方向维度小角度偏转式数字马达3和Y方向维度小角度偏转式数字马达5进行快速往复式偏转，得到聚焦光点9在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内沿X-Y方向扫描的基于单位时间周期t内根据傅里叶级数的数学表达式：

；

式中，n为整数，θ为角度，扫描成的可连续非重复变换的弦波线形。且可以设置n的值以提高单位时间周期内弦波波形的数量，进而增加在平面尺寸边界范围内的弦波线形扫描密度，直至达到所述聚焦光点在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内实现扫描各弦波波形的全覆盖，且不会出现任何扫描弦波波形轨迹的重叠，如此可以做到聚焦光点在单位时间周期内不会对空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内任意区域点出现重叠的能量输入，实现在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围的扫描填充式无损激光清洗。

例如，参见图2，焦平面上沿扫描弦波波形901、焦平面上沿/>扫描弦波波形902、焦平面上沿/>扫描弦波波形903、焦平面上沿/>扫描弦波波形904可基于单位时间周期t进行连续非重复变换。

进一步地，参见图1，还包括Z方向维度音圈电机7，透射准直式光学镜组2安装在Z方向维度音圈电机7的伸缩端。通过维度音圈电机7调整透射准直式光学镜组2的位置。当清洗作业非平面时，控制Z方向维度音圈电机7调整透射准直式光学镜组2沿轴向往复浮动，使得已有平面X-Y方向扫描的任意线形都能在Z方向得到焦距补偿，避免清洗时因为工作焦距（正离焦或负离焦）的变化而导致的聚焦光点9能量密度出现变化的情况，最终得到三维空间方向上实现工作焦距的自适应扫描式无损激光清洗。

更近一步地，透射准直式光学镜组2安装在往复浮动机构701的滑动件702上，Z方向维度音圈电机7位于往复浮动机构701的下侧，并与滑动件702连接。通过设置往复浮动机构701，使的透射准直式光学镜组2的轴向移动更加稳定。

具体的，参见图1，往复浮动机构701包括座体和滑动件702，座体与Z方向维度音圈电机7的固定端安装固定，座体中部设有滑孔，滑动件702滑到限位的安装在滑孔内，透射准直式光学镜组2安装在滑动件702的上端，Z方向维度音圈电机7的运动端与滑动件702的下端连接。滑动件702与座体滑动连接可采用直线导轨的结构或者燕尾滑槽的结构。

实施例二：

一种精密表面无损激光清洗的清洗设备，包括脉冲激光器和激光清洗加工头，脉冲激光器与激光清洗加工头采用光纤连接，激光清洗加工头安装有所述的精密表面无损激光清洗振镜系统。精密表面无损激光清洗振镜系统安装在激光清洗加工头内部。

实施例三：

参见图1、2，一种精密表面无损激光清洗的清洗方法，用于水电机组零部件精密表面附着污染物的清洗，采用了所述的精密表面无损激光清洗的清洗设备，它包括以下步骤：

S1：打开电源给脉冲激光器、激光清洗加工头供电；打开脉冲激光器的指示红光，指示红光经过传输光纤和激光清洗加工头辐照输出形成指示光点，激光清洗加工头内振镜系统控制X方向维度小角度偏转式数字马达3、Y方向维度小角度偏转式数字马达5以及Z方向维度音圈电机7在通电启动后开始自动校准，其中，振镜系统控制X方向维度小角度偏转式数字马达3和Y方向维度小角度偏转式数字马达5，使X轴反射式光学镜片4和Y轴反射式光学镜片6在空间法线方向上呈90°夹角排布，Z方向维度音圈电机7控制透射准直式光学镜组2置于往复浮动机构701的中间位置。

S2：在脉冲激光器上设置激光清洗所需的激光功率、脉冲宽度、频率参数，通过激光清洗加工头的振镜系统控制X方向维度小角度偏转式数字马达3和Y方向维度小角度偏转式数字马达5分别带动X轴反射式光学镜片4和Y轴反射式光学镜片6在时间周期t内根据傅里叶级数的数学表达式：

，

扫描出2n-1个弦波线形，式中，n为整数，θ为角度；

其中，高能激光束1通过激光清洗加工头辐照聚焦成聚焦光点后，被振镜系统控制着扫描出每一个弦波线形的时间为，每一个弦波线形的扫描轨迹长短不同，聚焦光点9在扫描每一个弦波线形的扫描速度不同，在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内扫描出各个弦波线形的过程中聚焦光点9做变速运动。

S3：根据S2中设置的参数，让指示红光的光点在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内扫描出2n-1个轨迹不重叠的弦波波形轨迹进行模拟，同步根据所需清洗的区域尺寸大小，调整振镜系统控制X方向维度小角度偏转式数字马达3和Y方向维度小角度偏转式数字马达5，使X轴反射式光学镜片4和Y轴反射式光学镜片6在X-Y方向维度偏转角度，直至指示红光扫描的各弦波波形轨迹边界范围与待清洗区域的尺寸最大程度的重合。

S4：当所需清洗的区域为非平面，待清洗区域不能与空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界重合时，待清洗区域会因工作焦距的变化而导致的聚焦光点9能量密度出现变化，此时同步控制Z方向维度音圈电机7在往复浮动机构701上沿轴向往复浮动使得空间上所设定工作焦点的平面X-Y方向尺寸边界范围内扫描的任意线形都能在Z方向得到焦距补偿，重复S3，直到实现三维空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围能自适应的与待清洗的非平面区域最大程度的重合。

S5：根据以上步骤所设置和调试的参数，打开脉冲激光器发出高能激光束1开始进行激光清洗作业，其中激光清洗时在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内的单位时间周期扫描形成的弦波波形数量为2n-1个，n的值为整数，总清洗时间周期T内，其中，T=a*t，a为总清洗次数，t为单次清洗的单位时间周期。

在奇数清洗次数时，单位时间周期t内扫描出2n-1个弦波波形，扫描成弦波波形对应的根据傅里叶级数的数学表达式：

；

式中n为偶数，θ为角度；

在偶数清洗次数时，单位时间周期t内扫描出2n-1个弦波波形，扫描成弦波波形对应的根据傅里叶级数的数学表达式：

；

式中n为奇数，θ为角度。

S6：激光清洗完成后人工远程观察所清洗区域的清洗效果，如果未能达到理想清洗效果，则重复S5步骤，直至达到清洗效果。

Claims (1)

1.精密表面无损激光清洗的清洗方法，其特征在于：采用了一种精密表面无损激光清洗的清洗设备，所述精密表面无损激光清洗的清洗设备包括脉冲激光器和激光清洗加工头，脉冲激光器与激光清洗加工头采用光纤连接，激光清洗加工头安装有精密表面无损激光清洗振镜系统；

所述精密表面无损激光清洗振镜系统包括透射准直式光学镜组（2）、X轴反射式光学镜片（4）、Y轴反射式光学镜片（6）以及透射聚焦式光学镜（8），所述透射准直式光学镜组（2）的后端设置有X轴反射式光学镜片（4），X轴反射式光学镜片（4）的一侧设置有Y轴反射式光学镜片（6），Y轴反射式光学镜片（6）的下侧设置有透射聚焦式光学镜（8），X轴反射式光学镜片（4）安装在X方向维度小角度偏转式数字马达（3）的输出轴端，Y轴反射式光学镜片（6）安装在Y方向维度小角度偏转式数字马达（5）的输出轴端；

还包括Z方向维度音圈电机（7），透射准直式光学镜组（2）安装在Z方向维度音圈电机（7）的伸缩端；

所述透射准直式光学镜组（2）安装在往复浮动机构（701）的滑动件（702）上，Z方向维度音圈电机（7）位于往复浮动机构（701）的下侧，并与滑动件（702）连接；

精密表面无损激光清洗的清洗方法，用于水电机组零部件精密表面附着污染物的清洗，包括以下步骤：

S1：打开电源给脉冲激光器、激光清洗加工头供电；打开脉冲激光器的指示红光，指示红光经过传输光纤和激光清洗加工头辐照输出形成指示光点，激光清洗加工头内振镜系统控制X方向维度小角度偏转式数字马达（3）、Y方向维度小角度偏转式数字马达（5）以及Z方向维度音圈电机（7）在通电启动后开始自动校准，其中，振镜系统控制X方向维度小角度偏转式数字马达（3）和Y方向维度小角度偏转式数字马达（5），使X轴反射式光学镜片（4）和Y轴反射式光学镜片（6）在空间法线方向上呈90°夹角排布，Z方向维度音圈电机（7）控制透射准直式光学镜组（2）置于往复浮动机构（701）的中间位置；

S2：在脉冲激光器上设置激光清洗所需的激光功率、脉冲宽度、频率参数，通过激光清洗加工头的振镜系统控制X方向维度小角度偏转式数字马达（3）和Y方向维度小角度偏转式数字马达（5）分别带动X轴反射式光学镜片（4）和Y轴反射式光学镜片（6）在时间周期t内根据傅里叶级数的数学表达式：

；

扫描出2n-1个弦波线形，式中n为整数，θ表示角度；

其中，高能激光束（1）通过激光清洗加工头辐照聚焦成聚焦光点后，被振镜系统控制着扫描出每一个弦波线形的时间为，每一个弦波线形的扫描轨迹长短不同，聚焦光点（9）在扫描每一个弦波线形的扫描速度不同，在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内扫描出各个弦波线形的过程中聚焦光点（9）做变速运动；

S3：根据S2中设置的参数，让指示红光的光点在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内扫描出2n-1个轨迹不重叠的弦波波形轨迹进行模拟，同步根据所需清洗的区域尺寸大小，调整振镜系统控制X方向维度小角度偏转式数字马达（3）和Y方向维度小角度偏转式数字马达（5），使X轴反射式光学镜片（4）和Y轴反射式光学镜片（6）在X-Y方向维度偏转角度，直至指示红光扫描的各弦波波形轨迹边界范围与待清洗区域的尺寸最大程度的重合；

S4：当所需清洗的区域为非平面，待清洗区域不能与空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界重合时，待清洗区域会因工作焦距的变化而导致的聚焦光点（9）能量密度出现变化，此时同步控制Z方向维度音圈电机（7）在往复浮动机构（701）上沿轴向往复浮动使得空间上所设定工作焦点的平面X-Y方向尺寸边界范围内扫描的任意线形都能在Z方向得到焦距补偿，重复S3，直到实现三维空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围能自适应的与待清洗的非平面区域最大程度的重合；

S5：根据以上步骤所设置和调试的参数，打开脉冲激光器发出高能激光束（1）开始进行激光清洗作业，其中激光清洗时在空间上所设定工作焦点的平面尺寸边界范围内的单位时间周期扫描形成的弦波波形数量为2n-1个，n的值为整数，总清洗时间周期T内，其中，T=a*t，a为总清洗次数，t为单次清洗的单位时间周期；

在奇数清洗次数时，单位时间周期t内扫描出2n-1个弦波波形，扫描成弦波波形对应的根据傅里叶级数的数学表达式为：

；

式中n为偶数，θ表示角度；

在偶数清洗次数时，单位时间周期t内扫描出2n-1个弦波波形，扫描成弦波波形对应的根据傅里叶级数的数学表达式为：

；

式中n为奇数，θ表示角度；

S6：激光清洗完成后人工远程观察所清洗区域的清洗效果，如果未能达到理想清洗效果，则重复S5，直至达到清洗效果。